El problema de disipación de calor LED más completo de la historia

El problema de disipación de calor LED más completo de la historia

La gente presta cada vez más atención a la disipación de calor de los LED. Esto se debe a que la disminución de la luz de los LED o su vida útil está directamente relacionada con su temperatura de unión. Si la disipación de calor no es buena, la temperatura de la unión será mayor y la vida útil será corta. De acuerdo con la ley de Arrhenius Bajar 10 ℃ extenderá la vida en 2 veces. A partir del diagrama de atenuación de la luz y temperatura de la unión publicado por CREE (Figura 1), se puede ver que si la temperatura de la unión se puede controlar a 65 ° C, ¡la vida útil de la atenuación de la luz al 70% puede ser tan alta como 100,000 horas! ¿Puede lograrse realmente la tan esperada vida útil? Sí, siempre y cuando el problema de disipación de calor pueda abordarse seriamente! Desafortunadamente, la disipación de calor real de las luces LED está lejos de este requisito! Como resultado, las lámparas LED La longevidad se ha convertido en un problema importante que afecta su rendimiento, por lo que debe tomarse en serio.

Además, la temperatura de la unión no solo afecta la vida útil a largo plazo, sino que también afecta directamente la eficiencia luminosa a corto plazo. Por ejemplo, la relación entre la intensidad luminosa del XLamp7090XR-E de Cree y la temperatura de la unión.

Si la luminiscencia es del 100% cuando la temperatura de la unión es de 25 grados, cuando la temperatura de la unión se eleva a 60 grados, la luminiscencia es solo del 90%; cuando la temperatura de la unión es de 100 grados, cae al 80%; 140 grados es solo del 70%. Se puede ver que es muy importante mejorar la disipación de calor y controlar la temperatura de la unión.

Además, el calor del LED hará que su espectro se mueva; la temperatura del color aumenta; la corriente directa aumenta (cuando se suministra el voltaje constante); la corriente inversa también aumenta; el estrés térmico aumenta; el envejecimiento de la resina epoxi de fósforo se acelera, etc. Varios problemas, por lo que la disipación de calor del LED es el problema más importante en el diseño de lámparas LED.

La primera parte de la disipación de calor del chip LED.

¿Cómo se produce la temperatura de unión?

La razón por la cual el LED se calienta es porque la energía eléctrica adicional no se convierte en energía luminosa, sino que parte de ella se convierte en energía térmica. La eficiencia luminosa del LED es solo de 100 lm / W en la actualidad, y su eficiencia de conversión electroóptica es solo de aproximadamente 20-30%. En otras palabras, aproximadamente el 70% de la energía eléctrica se convierte en calor.

Específicamente, la temperatura de la unión del LED es causada por dos factores.

1. La eficiencia cuántica interna no es alta, es decir, cuando los electrones y los agujeros se recombinan, no se puede generar el 100% de los fotones, lo que generalmente se denomina "fuga de corriente", lo que reduce la tasa de recombinación de los portadores en la región PN. La corriente de fuga multiplicada por el voltaje es la potencia de esta parte, que se convierte en energía térmica, pero esta parte no tiene en cuenta el componente principal, porque la eficiencia interna del fotón ahora está cerca del 90%.

2. Los fotones generados en el interior no se pueden emitir todos al exterior del chip y finalmente convertirse en calor. Esta parte es la principal, porque en la actualidad este tipo de eficiencia cuántica externa es solo del 30%, y la mayoría de ellos se convierten en calor.

Aunque la eficiencia luminosa de la lámpara incandescente es muy baja, solo unos 15lm / W, convierte casi toda la energía eléctrica en energía luminosa y la irradia. Debido a que la mayor parte de la energía radiante es infrarroja, la eficiencia luminosa es muy baja, pero evita El problema de la disipación de calor.

2. La disipación de calor del chip LED a la placa inferior

Los chips LED se caracterizan por una generación de calor extremadamente alta en un volumen muy pequeño. La capacidad de calor del LED en sí es pequeña, por lo que el calor debe realizarse a la velocidad más rápida, de lo contrario, producirá una temperatura de unión alta. Con el fin de extraer el calor del chip tanto como sea posible, se han realizado muchas mejoras en la estructura del chip LED.

Para mejorar la disipación de calor del chip LED, la mejora principal es utilizar un material de sustrato con mejor conducción de calor. Los primeros LED solo usaban silicio Si como sustrato. Más tarde se cambió a zafiro como sustrato. Sin embargo, la conductividad térmica del sustrato de zafiro no es muy buena (aproximadamente 25 W / (mK) a 100 ° C). Para mejorar la disipación de calor del sustrato, Cree utiliza un sustrato de carburo de silicio. Su conductividad térmica (490 W / ( mK)) es casi 20 veces más alto que el zafiro. Y el zafiro necesita usar pegamento de plata para solidificar el cristal, y la conductividad térmica del pegamento de plata también es muy pobre. La única desventaja del carburo de silicio es que es más caro. Actualmente, solo Cree produce LED con sustratos de carburo de silicio.

Después de usar el carburo de silicio como sustrato, puede mejorar considerablemente su disipación de calor, pero su costo es demasiado alto y tiene protección patentada. Recientemente, los fabricantes nacionales han comenzado a utilizar materiales de silicio como sustratos. Porque el sustrato de silicio no está restringido por patentes. Y el rendimiento es mejor que el zafiro. El único problema es que el coeficiente de expansión de GaN es demasiado diferente al del silicio y se producen grietas fácilmente. La solución es agregar una capa de nitruro de aluminio (AlN) en el medio como un tampón.

Después de empacar el chip LED, la resistencia térmica desde el chip hasta el pin es la resistencia térmica más importante en la aplicación. En términos generales, el tamaño del área de unión del chip es la clave para la disipación de calor. Para diferentes potencias nominales, se requieren los tamaños correspondientes El área de unión. También se manifiesta como diferente resistencia térmica.

Los primeros chips LED fueron conducidos al exterior del chip principalmente por dos electrodos metálicos. El más típico fue un tubo de sombrero de paja llamado ф5 o F5. Su disipación de calor fue conducida completamente por dos alambres metálicos delgados, por lo que el efecto de disipación de calor fue muy pobre. La resistencia térmica es muy grande, por lo que la descomposición de la luz de este tubo de sombrero de paja es muy grave. Además, el material utilizado en el embalaje también es un tema muy importante. Los LED de baja potencia generalmente usan resina epoxi como material de embalaje, pero la tasa de absorción de la resina epoxi a la luz de 400-459 nm es tan alta como 45%. Es fácil causar una grave descomposición de la luz debido al envejecimiento a largo plazo de esta luz de longitud de onda corta, 50% La vida útil de la desintegración de la luz es inferior a 10.000 horas. Por lo tanto, el gel de sílice debe usarse como material de embalaje en LED de alta potencia. La tasa de absorción de gel de sílice a la luz de la misma longitud de onda es inferior al 1%. Esto puede extender la vida de la misma atenuación de luz a 40,000 horas.

Se puede ver en la tabla que la resistencia térmica de los LED de Cree es al menos dos veces menor que la de otras compañías debido al uso de carburo de silicio como sustrato. Para mejorar la disipación de calor de los LED de alta potencia, generalmente se coloca una placa base de cobre soldable debajo de la base para soldar al disipador de calor. Estas resistencias térmicas se miden realmente en esta placa base de cobre.